Gli ingegneri della Columbia University e i collaboratori teorici del Max Planck per la struttura e la dinamica della materia hanno scoperto che l'accoppiamento della luce laser con le vibrazioni del reticolo cristallino può migliorare le proprietà ottiche non lineari di un materiale 2D stratificato. La ricerca è pubblicata sulla rivista Nature Communications .
Cecilia Chen, dottore di ricerca in ingegneria della Columbia. La studentessa e coautrice del recente articolo, e i suoi colleghi del gruppo di fotonica quantistica e non lineare di Alexander Gaeta, hanno utilizzato il nitruro di boro esagonale (hBN). L'hBN è un materiale 2D simile al grafene:i suoi atomi sono disposti in uno schema ripetuto a forma di nido d'ape e possono essere staccati in strati sottili con proprietà quantistiche uniche. Chen ha osservato che l’hBN è stabile a temperatura ambiente e i suoi elementi costitutivi, boro e azoto, sono molto leggeri. Ciò significa che vibrano molto rapidamente.
Le vibrazioni atomiche si verificano in tutti i materiali al di sopra dello zero assoluto. Quel movimento può essere quantizzato in quasiparticelle chiamate fononi con risonanze particolari; nel caso di hBN, il team era interessato alla modalità fonone ottico che vibra a 41 THz, corrispondente a una lunghezza d'onda di 7,3 μm, che si trova nel regime del medio infrarosso dello spettro elettromagnetico.
Mentre le lunghezze d'onda del medio infrarosso sono considerate corte e quindi ad alta energia nel quadro delle vibrazioni dei cristalli, sono considerate molto lunghe e a bassa energia nella maggior parte delle ricerche sull'ottica con i laser, dove la stragrande maggioranza degli esperimenti e degli studi viene eseguita nel visibile. al campo del vicino infrarosso compreso tra circa 400 nm e 2 um.
Quando hanno sintonizzato il loro sistema laser sulla frequenza hBN corrispondente a 7,3 μm, Chen, insieme ai colleghi Ph.D. lo studente Jared Ginsberg (ora scienziato dei dati presso la Bank of America) e il postdoc Mehdi Jadidi (ora team leader presso la società di informatica quantistica PsiQuantum), sono stati in grado di guidare in modo coerente e simultaneo i fononi e gli elettroni del cristallo hBN per generare in modo efficiente nuove frequenze ottiche dal mezzo:un obiettivo essenziale dell'ottica non lineare. Il lavoro teorico condotto dal gruppo del professor Angel Rubio al Max Planck ha aiutato il team sperimentale a comprendere i risultati.
Utilizzando laser a medio infrarosso da tavolo disponibili in commercio, hanno esplorato il processo ottico non lineare mediato dai fononi di miscelazione a quattro onde per generare luce vicina alle armoniche pari di un segnale ottico. Hanno anche osservato un aumento di oltre 30 volte nella generazione della terza armonica rispetto a quanto ottenuto senza eccitare i fononi.
"Siamo entusiasti di dimostrare che l'amplificazione del movimento naturale dei fononi con la guida del laser può migliorare gli effetti ottici non lineari e generare nuove frequenze", ha affermato Chen. Il team prevede di esplorare in futuro come modificare l'HBN e materiali simili utilizzando la luce.
Ulteriori informazioni: Jared S. Ginsberg et al, Nonlinearità potenziate da fononi nel nitruro di boro esagonale, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43501-x
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dalla Columbia University School of Engineering and Applied Science
